Radioterapia de pintura de dosis basada en tomografía por emisión de positrones en un modelo de rata con glioblastoma utilizando la Plataforma de Investigación de Radiación en Animales Pequeños

Summary

Aquí presentamos un protocolo para realizar radioterapia preclínica basada en tomografía por emisión de positrones en un modelo de glioblastoma de rata utilizando algoritmos desarrollados internamente para optimizar la precisión y la eficiencia.

Abstract

Previamente se estableció un modelo de glioblastoma de rata para imitar el tratamiento de quimio-radiación del glioblastoma humano en la clínica. Al igual que el tratamiento clínico, la tomografía computarizada (TC) y la resonancia magnética (IRM) se combinaron durante el proceso de planificación del tratamiento. Posteriormente se agregaron imágenes de tomografía por emisión de positrones (PET) para implementar el aumento de subvolumen utilizando un sistema de microirradiación. Sin embargo, la combinación de tres modalidades de imágenes (TC, RM y PET) utilizando un sistema de microirradiación demostró ser laboriosa porque las imágenes multimodales, la planificación del tratamiento y la administración de dosis deben completarse secuencialmente en el entorno preclínico. Esto también da como resultado un flujo de trabajo que es más propenso a errores humanos. Por lo tanto, se implementó un algoritmo fácil de usar para optimizar aún más la planificación del tratamiento de radiación preclínica basada en imágenes multimodales. Esta herramienta de software se utilizó para evaluar la precisión y la eficiencia de la radioterapia de pintura de dosis con microirradiación mediante el uso de un diseño de estudio in silico . La nueva metodología para la radioterapia de pintura de dosis es superior al método descrito anteriormente en términos de precisión, eficiencia de tiempo y variabilidad intra e interusuario. También es un paso importante hacia la implementación de la planificación inversa del tratamiento en microirradiadores, donde la planificación anticipada todavía se usa comúnmente, en contraste con los sistemas clínicos.

Introduction

El glioblastoma (GB) es un tumor cerebral primario maligno y muy agresivo. El GB es un tumor heterogéneo sólido caracterizado típicamente por límites infiltrativos, atipia nuclear y ^necrosis1. La presencia de la barrera hematoencefálica y el estatus del cerebro como un sitio inmunoprivilegiado hace que el descubrimiento de nuevos objetivos para la quimioterapia y la inmunoterapia sea una tarea desalentadora2,3,4. Cabe destacar que el tratamiento de los pacientes con GB apenas ha cambiado desde la introducción, en 2005, del protocolo Stupp que combina la radioterapia de haz externo (RT) con temozolomida concomitante, generalmente seguida de temozolomida ^adyuvante5. Por lo general, el protocolo Stupp está precedido por una resección quirúrgica máxima. Por lo tanto, los enfoques de tratamiento alternativos son de importancia fundamental.

La radioterapia actual para pacientes con glioblastoma administra una dosis de radiación uniforme al volumen tumoral definido. En oncología radioterápica, existe una importante correlación dosis-respuesta para el glioblastoma con el aumento de la dosis, que parece limitar alrededor de 60 Gy, debido al aumento de la toxicidad para el cerebro ^normal6,7. Sin embargo, los tumores pueden ser muy (radiobiológicamente) heterogéneos, con gradientes de nivel de oxígeno y/o grandes diferencias en la densidad celular. Las técnicas de imagen metabólica, como la PET, pueden visualizar estas características biológicas y se pueden utilizar para personalizar la prescripción de la dosis. Este enfoque se conoce como pintura de dosis RT. Este término fue introducido por Ling et al. en 2000. Los autores definieron la pintura de dosis RT como la producción de “distribuciones de dosis exquisitamente conformes dentro de las limitaciones de propagación y dispersión de la radiación”⁸.

Hay dos tipos de pintura de dosis RT, pintura de dosis por contornos (DPBC), mediante la cual se prescribe una dosis a un conjunto de subvolúmenes anidados, y pintura de dosis por números (DPBN), mediante la cual se prescribe una dosis a nivel de vóxel. La distribución de dosis para DPBN RT se puede extraer de imágenes funcionales. La dosis en cada vóxel está determinada por la intensidad I del vóxel correspondiente en la imagen, con un límite inferior y superior, para asegurarse de que, por un lado, se administra una dosis suficiente a cada parte del tumor. Por otro lado, las dosis no superan un límite superior para proteger los órganos de riesgo y evitar la toxicidad. El método más sencillo es una interpolación lineal (véase Eq. 1) entre la dosis mínima _Dmin y la dosis máxima _Dmax, variando proporcionalmente entre la intensidad mínima _Imax y la intensidad máxima dentro del volumen ^objetivo9,10

Eq. 1

Debido a que existe cierto escepticismo sobre el aseguramiento de la calidad de DPBN RT, la deposición de la dosis debe verificarse a través de la investigación preclínica y ^clínica10. Sin embargo, solo se pueden obtener datos limitados de los ensayos clínicos, y se ha planteado la hipótesis de que se pueden obtener más conocimientos mediante la reducción de escala a animales de ^{laboratorio11,12}. Por lo tanto, los estudios preclínicos que utilizan plataformas de investigación de radiación guiadas por imágenes de precisión que permiten el acoplamiento con algunas técnicas muy específicas, como la autorradiografía, son adecuados para examinar problemas abiertos y allanar el camino hacia la medicina personalizada y las estrategias de tratamiento novedosas, como la pintura de dosis ^RT13,14. Sin embargo, la interpretación de los datos preclínicos debe realizarse con precaución, y se deben considerar los inconvenientes de estas configuraciones ^{preclínicas14}.

Los sistemas de microirradiación, como la Plataforma de Investigación de Radiación de Pequeños Animales (SARRP), están equipados con tecnologías similares a las de su contraparte clínica. Incluyen imágenes de TC de haz cónico (CBCT) a bordo, un sistema preclínico de planificación del tratamiento (PCTPS) y proporcionan una precisión submilimétrica. Los cálculos clínicos de dosis se realizan mediante la planificación inversa del tratamiento, mediante la cual se inicia a partir de la distribución de dosis deseada para determinar los haces a través de un algoritmo iterativo. Los irradiadores preclínicos a menudo utilizan la planificación anticipada. En la planificación anticipada, se seleccionan la cantidad y el ángulo requeridos de los haces, y el PCTPS calcula la distribución de dosis. La optimización de los planes se realiza mediante iteración manual, que requiere mucha mano de ^obra15.

Después de 2009, nuevos desarrollos han hecho posible la implementación de la planificación inversa en estas plataformas de investigación16,17,18. Para aumentar la similitud con el método clínico, se desarrolló un colimador rectangular variable motorizado (MVC) como contraparte preclínica del colimador multihoja. Cho et ^al.19 publicaron un método de pintura de dosis bidimensional utilizando un colimador variable. Este grupo de investigación implementó un protocolo tridimensional (3D) de planificación inversa del tratamiento en un microrrasor y determinó dosis mínimas y máximas para el volumen objetivo y una dosis máxima para los órganos en riesgo. Estas técnicas se han evaluado principalmente in silico, y sus aplicaciones preclínicas deben ser exploradas.

Este artículo presenta un estudio in silico para comparar dos metodologías para la pintura de dosis basada en PET [^18F]-fluoro-etil-L-tirosina ([^18F]FET) en un modelo de rata GB20,21,22 utilizando una plataforma de investigación de radiación en animales pequeños. Estas dos metodologías son (1) aumento de subvolumen utilizando tamaños de haz predefinidos y (2) pintura de dosis utilizando un colimador variable motorizado donde las dimensiones de la mandíbula se modifican en función de la captación del trazador PET en el volumen tumoral. [^18F] FET es un trazador de PET utilizado a menudo en neuro-oncología debido a su capacidad para detectar tumores ^cerebrales23. [^18F] FET es un aminoácido artificial que se internaliza en las células tumorales pero no se incorpora a las proteínas celulares. [^18F] La captación de TJE se corresponde con la tasa de proliferación celular, la densidad de células tumorales y la ^{angiogénesis24}. Como este es el trazador de PET cerebral oncológico más utilizado en el instituto de estos autores, se eligió este radiotrazador para evaluar el nuevo flujo de trabajo.

Protocol

El estudio fue aprobado por el comité de ética local para experimentos con animales (ECD 18/21). La monitorización de la anestesia se realiza adquiriendo la frecuencia respiratoria de los animales mediante un sensor. 1. Modelo de célula de rata F98 GB Cultive las células F98 GB en una monocapa utilizando el Medio Águila Modificada de Dulbecco, suplementado con suero de ternera al 10%, penicilina al 1%, estreptomicina al 1% y L-glutamina al 1%, y colóquelas en una incubadora d…

Representative Results

Anteriormente se ha descrito la viabilidad de la irradiación guiada por PET y RM en un modelo de rata glioblastoma utilizando el SARRP para imitar la estrategia de tratamiento humano20,21,22. Si bien el animal se fijó en una cama multimodal hecha internamente, fue posible crear un plan de tratamiento de radiación aceptable que combinara tres modalidades de imágenes: PET, MRI y CT. En estos métodos, se utilizó un paquete de…

Discussion

Anteriormente se describió un modelo GB de rata para imitar el tratamiento de quimio-radiación en la clínica para pacientes con ^{glioblastoma20}. Al igual que el método clínico, la TC y la RM se combinaron durante el proceso de planificación del tratamiento para obtener una irradiación más precisa. Se utilizó una cama multimodal para minimizar el movimiento (de la cabeza) cuando el animal se movió de un sistema de imágenes a otro. Posteriormente, se añadieron imágenes pet al proceso de …

Materials

Cell culture
F98 Glioblastoma Cell Line	ATCC	CRL-2397	https://www.lgcstandards-atcc.org/products/all/CRL-2397
Dulbeco's Modified Eagle Medium	Thermo Fisher Scientific	22320-030
Cell culture flasks	Thermo Fisher Scientific	178883	75 cm²
FBS	Thermo Fisher Scientific	10270106
L-Glutamine	Thermo Fisher Scientific	25030-032	200 mM
Penicilline-Streptomycin	Thermo Fisher Scientific	15140-148	10,000 U/mL
Phosphate-Buffered Saline (PBS)	Thermo Fisher Scientific	14040-224
Trypsin-EDTA	Thermo Fisher Scientific	25300-062	0.05%
GB Rat Model
Ball-shaped burr	Foredom	A-228	1.8 mm
Bone Wax	Aesculap	1029754	https://www.aesculapusa.com/en/healthcare-professionals/or-solutions/or-solutions-cranial-closure/hemostatic-bone-wax.html
Ethilon	Ethicon	662G/662H	FS-2, 4-0, 3/8, 19 mm
Fischer F344/Ico crl Rats	Charles River	–
Insulin Syringe Microfine	Beckton-Dickinson	320924	1 mL, 29 G
IR Lamp	Philips	HP3616/01
Meloxicam (Metacam)	Boehringer Ingelheim	–	2 mg/mL
Micromotor rotary tool	Foredom	K.1090-22
Micropump system	Stoelting Co.	53312	Stoelting Stereotaxic Injector
Stereotactic frame	Stoelting Co.	51600
Xylocaine (1%, with adrenaline 1:200,000)	Aspen	–	1%, with adrenaline 1:200,000
Xylocaine gel (2%)	Aspen	–	2%
Animal Irradiation
Micro-irradiator	X-Strahl	SARRP	Version 4.2.0
Software	X-Strahl	Muriplan	Preclinical treatment planning system (PCTPC), version 2.2.2
Small Animal PET
[18F]FET	Inhouse made	–	PET tracer; along with Prohance: MRI/PET agent
Micro-PET	Molecubes	Beta-Cube	https://www.molecubes.com/b-cube/
Small Animal MRI
Micro-MRI	Bruker Biospin	Pharmascan 70/16	https://www.bruker.com/products/mr/preclinical-mri/pharmascan.html
30 G Needle for IV injection	Beckton-Dickinson	305128
PE 10 Tubing	Instech Laboratories Inc	BTPE-10	BTPE-10, polyethylene tubing 0.011 x 0.024 in (0.28 x 60 mm), non sterile, 30 m (98 ft) spool, Instech laboratories, Inc Plymouth meeting PA USA- (800) 443-4227- http://www.instechlabs.com
Prohance contrast agent	Bracco Imaging	–	279.3 mg/mL, gadolinium-contrast agent (along with [18F]FET: MRI/PET agent)
Tx/Rx Rat Brain – Mouse Whole Body Volumecoil	Bruker Biospin	–	40 mm diameter
Water-based Heating Unit	Bruker Biospin	MT0125
Consumables
Isoflurane	Zoetis	B506	Anesthesia
Insulin Syringe Microfine	Beckton-Dickinson	320924	1 mL, 29 G
Image Analysis
MATLAB	Mathworks	–	Version R2019b
PMOD	PMOD technologies LLC		Preclinical and molecular imaging software